北理工團(tuán)隊(duì)在海洋氣溶膠增長(zhǎng)機(jī)制研究方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2023-06-06 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院 張秀輝 攝影：張秀輝
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近日,，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院/原子分子簇科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張秀輝教授團(tuán)隊(duì)與中科院生態(tài)環(huán)境中心賀泓研究員團(tuán)隊(duì)和美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)Joseph S. Francisco教授團(tuán)隊(duì)合作，在海洋氣溶膠增長(zhǎng)機(jī)制研究方面取得重要進(jìn)展,。相關(guān)研究成果以“Chemical Implications of Rapid Reactive Absorption of I2O4 at the Air-Water Interface”為題,，在國(guó)際頂級(jí)化學(xué)期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》( Journal of the American Chemical Society , JACS )上發(fā)表(DOI: 10.1021/jacs.3c01862)。該工作以北京理工大學(xué)為第一通訊單位,，張秀輝教授,、賀泓研究員和Joseph S. Francisco教授為共同通訊作者,，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院博士后寧安與中國(guó)石油大學(xué)鐘杰教授為該論文的共同第一作者。
海洋氣溶膠構(gòu)成了全球最大的自然源氣溶膠體系,，對(duì)全球的輻射平衡,、氣候變化乃至人們的生活都有著重要影響。盡管已有研究表明含碘物質(zhì)與海洋氣溶膠的形成密切相關(guān),，但其參與的氣溶膠增長(zhǎng)機(jī)制尚不清楚,。已有實(shí)驗(yàn)室研究表明，碘氧化物(I x O y )是氣溶膠粒子形成的重要組分(其中四氧化二碘I2O4濃度最高),。然而,，外場(chǎng)檢測(cè)到的氣溶膠粒子的主要碘組分為IO3-離子，卻未檢測(cè)到碘氧化物,。實(shí)驗(yàn)室與外場(chǎng)觀測(cè)上的分歧難以用當(dāng)前的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制來(lái)解釋,，這很大程度上限制了人們對(duì)碘氧化物如何影響海洋氣溶膠形成的理解。
北京理工大學(xué)張秀輝教授團(tuán)隊(duì)及其合作者通過(guò)量子化學(xué)計(jì)算與第一性原理分子動(dòng)力學(xué)模擬相結(jié)合的方案揭示的大氣中硫酸和胺類物質(zhì)影響下的I2O4的氣-液界面(即液相氣溶膠表面)上的非均相反應(yīng)機(jī)制則較好地解釋了上述分歧問(wèn)題,。由于真實(shí)大氣中的化學(xué)組分遠(yuǎn)比“單純”的實(shí)驗(yàn)環(huán)境更為復(fù)雜,，除碘氧化物外，還存在著污染物硫酸,、以及海洋類生物排放生成的胺類組分,。她們合作研究發(fā)現(xiàn)，在硫酸和有機(jī)胺的參與下,，I2O4可在氣溶膠氣-液界面快速(皮秒級(jí)別)反應(yīng)(圖1)生成亞碘酸HIO2以及一系列離子產(chǎn)物,，如HSO4-、IO3-,、DMAH+等,。所生成的反應(yīng)產(chǎn)物間可通過(guò)氫鍵、鹵鍵和離子鍵結(jié)合為尺寸更大的復(fù)合物,，進(jìn)而限制其向液滴體相的擴(kuò)散,；同時(shí)，界面水分子通過(guò)氫鍵與產(chǎn)物分子結(jié)合,，使其難以蒸發(fā)至氣相(圖2),。且上述附著于液滴表面的產(chǎn)物(IO3-/DMAH+等)相比于反應(yīng)物(I2O4/DMA等)有更低的揮發(fā)性和更高的吸濕性(圖3)，還可促進(jìn)氣溶膠的吸濕性增長(zhǎng),。
圖1. 硫酸,、有機(jī)胺影響下的I2O4的氣-液界面反應(yīng)機(jī)制
圖2. I2O4的氣-液界面反應(yīng)產(chǎn)物
圖3. I2O4氣-液界面反應(yīng)物/產(chǎn)物的水合分布
綜上，該研究揭示的硫酸和有機(jī)胺影響下的I2O4在氣溶膠氣-液界面的反應(yīng)機(jī)制不僅解釋了實(shí)驗(yàn)室與外場(chǎng)觀測(cè)上的分歧,，而且有助于理解碘化學(xué)的非均相反應(yīng)過(guò)程及其對(duì)氣溶膠增長(zhǎng)的影響機(jī)制,。同時(shí)還揭示了海洋氣溶膠中HSO4-/IO3-等重要組分的新來(lái)源，進(jìn)而對(duì)深入理解海洋大氣碘化學(xué)與氣溶膠形成間的聯(lián)系提供了理論線索,。
該研究得到了國(guó)家杰出青年科學(xué)基金(22225607)和國(guó)家自然科學(xué)基金(21976015和22188102)的支持,。
文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c01862
附作者簡(jiǎn)介：
張秀輝,，北京理工大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師,，國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者,。2007年北京理工大學(xué)博士畢業(yè)并獲全國(guó)百篇優(yōu)秀博士論文提名。主要從事大氣顆粒物形成機(jī)制的理論研究工作,，以通訊或第一作者在 J. Am. Chem. Soc. ,， Angew. Chem. Int. Ed. ， Proc. Natl. Acad. Sci. USA 等期刊發(fā)表SCI論文60余篇,。以第三完成人獲教育部自然科學(xué)二等獎(jiǎng),、中國(guó)兵器集團(tuán)公司科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)等。培養(yǎng)的1名博士生獲中國(guó)顆粒物學(xué)會(huì)優(yōu)秀博士論文,。
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